Види відновлюваної енергії

Вступ

З самого початку повномасштабної військової агресії з боку РФ щодо України об’єкти енергетичної інфраструктури нашої країни були і залишаються одними з головних цілей для ворожої армії. Спочатку це були нафтопереробні заводи, сховища нафтопродуктів, електростанції та підстанції, що живлять залізницю, а зараз – об’єкти критичної енергетики.

Регулярне та цілеспрямоване руйнування енергетичної інфраструктури України спричинило аварійні та стабілізаційні відключення електроенергії, відключення вуличного освітлення, обмеження руху метро та тролейбусів і споживання енергії промисловими підприємствами.

Війна в Україні також сильно вплинула і на світові енергетичні ринки, призвівши до нестабільності цін, дефіциту поставок, проблем з безпекою та економічної невизначеності – усього того, що Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) вже називало «першою справді глобальною енергетичною кризою».

Усі ці події змусили ряд країн зосередитися на питаннях енергетичної безпеки і формуванні надійного та різноманітного енергетичного балансу, невід’ємною частиною якого є також відновлювальна енергетика.

Відновлювана енергія – це енергія, отримана з природних джерел, що поповнюється з більшою швидкістю, ніж споживається. Така енергія не може вичерпатися на відміну від викопних видів палива (вугілля, нафти і газу), що є невідновлюваними ресурсами, на формування яких витрачаються сотні мільйонів років, а при їх спалюванні утворюються шкідливі викиди парникових газів.

Виробництво відновлюваної енергії створює набагато менше викидів, тому перехід від викопного палива до відновлюваних джерел енергії вважається ключем до подолання кліматичної кризи.

Крім того застосування відновлювальної енергії може допомогти знизити вартість електроенергії, зробити внесок у відмовостійку електричну мережу, створити робочі місця та стимулювати економічне зростання, генерувати резервну енергію на час відключення у поєднанні з її зберіганням, а також працювати з однаковою ефективністю як у малих, так і великих масштабах.

Відновлювані джерела енергії численні та оточують нас усюди. В даний час найбільш популярними серед них є:

– сонячна енергія;

– енергія вітру;

– гідроенергетика;

– енергія припливів;

– геотермальна енергія;

– енергія біомаси.

Сонячна енергія

Сонячна енергія – це напевно один з найвідоміших видів відновлювальної енергії, а сонячне світло – один з найпоширеніших і найдоступніших енергетичних ресурсів нашої планети. На відміну від невідновлюваних джерел енергії, доступ до сонячного світла є в кожній країні і воно може забезпечувати тепло, охолодження, природне освітлення, електрику та паливо.

Сьогодні людство застосовує сонячне проміння по-різному. Це може бути пасивне використання сонячної енергії, що передбачає орієнтацію будівлі по сонцю або вибір матеріалів із сприятливими властивостями теплової маси і розсіювання світла. Або ж активні сонячні технології з використанням сонячних колекторів для опалення або перетворенням сонячного світла на електрику.

Існує два основних типи технологій сонячної енергії – фотоелектрична (PV) і концентрована сонячно-теплова енергія (CSP).

Перша (PV) перетворює сонячне світло в електричну енергію через фотоелектричні панелі, які поглинають енергію сонячного світла. А друга (CSP) – використовує дзеркала, які концентрують сонячне випромінювання і перетворюють сонячну енергію на тепло, яке потім можна використовувати для виробництва електроенергії або зберігати в батареях чи термоакумуляторах. CSP використовується переважно на дуже великих електростанціях.

Зазначені технології можуть живити будь-що, від найменшого садового світильника до цілих кварталів. І хоч і не всі країни однаково забезпечені сонячною енергією, істотний внесок у енергетичний баланс прямої сонячної енергії можливий для кожної країни.

Тож наступним завданням має бути інтеграція систем сонячної енергії в будинки, підприємства та існуючі електричні мережі разом з традиційними та іншими видами відновлюваних джерел енергії.

Енергія вітру

Вітер – відоме та багате джерело чистої енергії. Але насправді енергія вітру є побічним продуктом Сонця. Нерівномірне нагрівання атмосфери сонцем, нерівні поверхні землі (гори та долини), а також обертання планети навколо сонця – все це створює вітер. Вдень повітря над сушею нагрівається швидше, ніж над водою. Тепле повітря над землею розширюється і піднімається вгору, а важче і холодніше повітря займає його місце, створюючи вітер. Вночі вітри міняються на протилежні, бо повітря охолоджується швидше над суходолом, ніж над водою.

Так само атмосферні вітри, що обертаються навколо Землі, утворюються через те, що Земля біля земного екватора гарячіша, ніж земля біля Північного і Південного полюсів. Оскільки вітру на нашій планеті вдосталь, він вважається стійким джерелом відновлюваної енергії, що існуватиме доти, доки сонячні промені нагрівають планету.

Енергія вітру використовує кінетичну енергію повітря, що рухається за допомогою великих вітряних турбін, розташованих на суші або в морській чи прісній воді. Енергія вітру обертає лопаті вітряних турбін, а турбіни перетворюють кінетичну енергію лопатей в електричну енергію, запускаючи електрогенератор. Згодом вироблена електрика перетворюється у більш високу напругу і подається в національну мережу.

Незважаючи на те, що середня швидкість вітру у різних місцях суттєво різниться, у більшості регіонів світу все ж існує достатній потенціал для значного розгортання вітрової енергетики.

Найкращими місцями для вітряних електростанцій є райони з сильними та постійними вітрами, зокрема прибережні та високогірні райони, а також вершини пагорбів або відкриті поля і рівнини.

Сьогодні берегові та морські вітряні електростанції стають все більш звичним явищем у різних країнах світу, а енергія вітру робить все більший внесок у їх національну енергосистему. Провідними виробниками відновлюваної вітрової електроенергії на сьогоднішній день вважаються США, Канада, Велика Британія та Китай.

Гідроенергетика

Гідроенергетика – це галузь відновлюваної енергетики, яка використовує енергію води. Вона працює аналогічно вітровій енергії оскільки використовує природний потік води для обертання лопатей турбіни генератора, що виробляє електроенергію.

Електроенергія виробляється за рахунок використання греблі або іншої водозабірної конструкції для зміни природної течії річки або іншої водойми та створення контрольованого водного потоку, що обертатиме лопаті турбіни. Технології гідроенергетики використовують перепад висот, створюваний греблею або іншим бар’єром, коли вода втікає з одного боку і витікає набагато нижче з іншого. На гідроелектростанціях вода тече трубою або водоводом, потім штовхається і обертає лопаті в турбіні, щоб розкрутити генератор для виробництва електроенергії.

Існують руслові гідроелектростанції, в яких сила течії річки чинить тиск на турбіну і гідроакумулюючі системи, де вода накопичується в резервуарах, створених греблями на струмках і річках, і випускається через гідротурбіни в міру необхідності вироблення електроенергії.

Гідроенергетичні споруди бувають різних розмірів. Деякі з них можуть бути дуже великими, але вони можуть бути і крихітними, без гребель, з відводами або русловими спорудами, що направляють частину потоку через електростанцію, після чого вода знову вливається в основну річку.

Оскільки гідроенергетика використовує воду для вироблення електроенергії, станції зазвичай розташовуються на джерелі води або поряд з ним.

В даний час гідроенергетика є найбільшим джерелом відновлюваної енергії в електроенергетиці, заснованим на загалом стабільних режимах випадання опадів. При цьому інфраструктура, необхідна для створення гідроелектростанцій, може несприятливо впливати на екосистеми. Так, великі греблі змінюють течію природних джерел води, що негативно впливає на популяції тварин і людей, обмежуючи їх доступ до води. Однак вважається, що при ретельному управлінні малі гідроелектростанції (менше 40 МВт), що відводять лише частину водного потоку, не справляють катастрофічного впливу на місцеве довкілля і є екологічнішими.

Найбільшим виробником гідроелектроенергії у світі на сьогоднішній день є Китай, що має понад 45 000 малих гідроустановок.

Припливна енергія

Припливна або морська енергія – це ще одна форма гідроенергетики, яка двічі на день використовує приливні течії для приводу турбогенераторів. Вона включає енергію хвиль, потужність морських течій і припливів, утворювані за рахунок кінетичної енергії великих водних мас, що рухаються.

Морська енергія також може бути використана за рахунок різниці температур у воді шляхом процесу, відомого як перетворення теплової енергії океану.

Хоча приливний потік, на відміну від деяких інших джерел гідроенергії, не є постійним, він добре передбачуваний і тому може компенсувати періоди, коли припливна течія низька.

Енергія припливів і хвиль все ще перебуває на стадії розробки та вивчення, але теоретичний потенціал енергії океану перевищує нинішні потреби людини в енергії, що робить використання її сили надзвичайно привабливим. Океани мають величезну кількість енергії і перебувають поблизу багатьох, а то й найбільш концентрованих, популяцій, тому енергія океану може забезпечити значну кількість нової відновлюваної енергії по всьому світу.

Проте, деякі підходи з використанням приливної енергії можуть завдати шкоди дикій природі, наприклад, припливні греблі або греблі розташовані в океанській затоці чи лагуні. Такі конструкції утворюють припливно-відливний басейн, а шлюзи на греблі контролюють рівень води та швидкість потоку, дозволяючи припливному басейну наповнюватися під час припливу та спорожнятися через систему електричних турбін під час відливу. Такі загородження можуть змінити рівень припливів у басейні і збільшити каламутність води, завдати шкоди рослинам і тваринам в естуаріях припливного басейну та негативно вплинути на навігацію та відпочинок.

Нині у світі діє декілька крупних припливних енергетичних загороджень: найбільш потужна припливна електростанція розташована на озері Сихва у Південній Кореї, найстаріша та друга за величиною припливна електростанція знаходиться в Ла-Рансі у Франції, а третьою за величиною є приливна електростанція в Аннаполіс-Ройялі в Канаді. Деякі інші країни мають приливні електростанції меншого розміру.

Геотермальна енергія

Геотермальна енергія – це тепло всередині землі. Відомо, що ядро планети Земля приблизно таке ж гаряче, як поверхня Сонця. Це тепло створюється повільним розпадом радіоактивних частинок у гірських породах у земному ядрі і використовується людством з найдавніших часів. Так, геотермальне опалення за допомогою води з гарячих джерел застосовували для купання ще за часів палеоліту, а для обігріву приміщень – з часів Стародавнього Риму.

Сьогодні буріння глибоких свердловин дозволяє вивести на поверхню землі пару або дуже гарячу підземну воду, які можна використовувати як гідротермальний ресурс для обертання турбін і вироблення електроенергії.

Існує три основні типи геотермальних електростанцій.

Сухі парові установки, що використовують пар безпосередньо з геотермального резервуара для обертання турбін генератора.

Парогенератори миттєвого випаровування, що закачують гарячу воду з надр землі під високим тиском в резервуар на поверхні, де тиск набагато нижчий, внаслідок чого частина рідини швидко випаровується, перетворюючись на пару. Потім пара приводить в дію турбіну генератора, а вода, що залишилася, і сконденсований пар закачуються назад в землю.

Електростанції бінарного циклу, що передають тепло від геотермальної гарячої води іншій рідині. Тепло змушує іншу рідину перетворюватися на пару, яка використовується для приводу турбіни генератора.

Сьогодні найбільш поширеним типом геотермальних електростанцій є парові установки миттєвого випаровування.

Отриману геотермальну енергію можна використовувати для безпосереднього обігріву будинків, гарячого водопостачання або вироблення електроенергії.

Геотермальна енергія вважається практично невичерпною і теоретично достатньою для задоволення потреб енергії всього людства. При цьому в даний час успішно експлуатується лише дуже невелика частина геотермальних ресурсів Землі, переважно в районах, розташованих поблизу кордонів тектонічних плит. Це зумовлено тим, що доступність геотермальної енергії тісно пов’язана з географічним положенням, хоча розвиток електростанцій з бінарним циклом та вдосконалення технологій буріння і видобутку вже дозволили вдосконалювати геотермальні системи у значно ширшому географічному діапазоні.

Найбільш поширене господарське застосування геотермальних джерел в Ісландії, Новій Зеландії, Італії, Франції, Литві, Мексиці, Нікарагуа, Коста-Ріці, Філіппінах, Індонезії, Китаї та Японії.

Енергія біомаси

Біомаса – це відновлюваний органічний матеріал, отримуваний з рослин і тварин. Біомаса найчастіше включає відходи рослинництва, деревообробки, харчової промисловості, залишки лісу та деревину, мікроводорості, біогенні матеріали в папері, бавовняних та вовняних виробах, а також гній тварин та людські стічні води. Вона виробляє енергію, перетворюючи всі ці сільськогосподарські, промислові та побутові відходи у тверде, рідке та газоподібне паливо.

Електрику за допомогою біомаси отримують шляхом спалювання органічних речовин. В результаті такого спалювання хімічна енергія виділяється у вигляді тепла і може генерувати електрику за допомогою парової турбіни. Однак, при виробництві біоенергії виділяється вуглекислий газ та створюються викиди парникових газів. Останні дослідження доводять, що багато форм біомаси, особливо з лісів, виробляють вищі викиди вуглецю, ніж викопне паливо. Тим не менш, деякі форми енергії біомаси, за певних обставин, можуть бути низьковуглецевим варіантом. Наприклад, тирса і тріска з лісопильних заводів, які інакше швидко розкладалися б і виділяли вуглець, а у вигляді біомаси можуть бути джерелом енергії з низьким вмістом вуглецю. Та все ж, враховуючи потенційний негативний вплив на навколишнє середовище, біоенергію слід використовувати лише з обмеженою метою.

На сьогоднішній день біомаса продовжує залишатися важливим паливом у багатьох країнах. У країнах, що розвиваються вона переважно використовується для приготування їжі, освітлення та опалення, а у розвинених країнах – застосовується у вигляді палива для транспорту.

Підсумок

У майбутньому очікується, що кількість відновлюваних джерел енергії продовжуватиме зростати, оскільки у світі спостерігається зростання попиту на електроенергію.

Системи відновлюваної енергії швидко стають більш дешевими та ефективними, а їхня частка у загальному споживанні енергії стабільно збільшується, при цьому переважна більшість нових встановлених у всьому світі електричних потужностей припадає саме на відновлювані джерела. У більшості країн фотогальванічна сонячна енергія або береговий вітер є найдешевшою електроенергією в новобудовах.

Впровадження відновлюваних джерел енергії та технологій енергоефективності забезпечує значну енергетичну безпеку та пом’якшення наслідків зміни клімату.

У світі налічується понад 10 мільйонів робочих місць, пов’язаних із галузями відновлюваної енергетики, при цьому сонячна фотоенергетика є найбільшим роботодавцем у сфері відновлюваних джерел енергії.

Багато країн світу вже використовують відновлювані джерела енергії, на які припадає понад 20% їх загального енергопостачання, а деякі з них виробляють більше половини своєї електроенергії за рахунок відновлюваних джерел енергії.

Згідно з прогнозами, національні ринки відновлюваних джерел енергії продовжуватимуть активно зростати в 2020-х роках і надалі. Сьогодні відновлювані джерела енергії становлять 26% світової електроенергії і, за даними Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), очікується, що до 2024 року їхня частка досягне 30%.

Дослідження показали, що глобальний перехід на 100% відновлюваних джерел енергії в усіх секторах – електроенергетиці, теплопостачанні, транспорті та опрісненні – здійсненний та економічно виправданий. Адже відновлювані енергетичні ресурси існують на великих географічних територіях і, на відміну від викопних видів палива, які зосереджені в обмеженій кількості країн, мають практично безмежний потенціал.